7.5. Термодинамика открытых систем

Если первое начало термодинамики справедливо для любых систем, то второе начало – только для изолированных систем, т. е. таких, которые защищены от внешнего мира непрозрачной оболочкой и не обмениваются с окружающей средой энергией и веществом.

В самом деле, из формулы Больцмана следует, что, когда температура всех тел Вселенной сравняется, т. е.S = Smax, должно было бы наступить тепловое равновесие или тепловая смерть Вселенной. Но этого не произойдёт, так как Вселенная – это открытая система, т. е. она обменивается с окружающей средой энергией, веществом и информацией.

Если энтропия изолированной системы при протекании в ней реальных процессов может только увеличиваться, достигая максимума в состоянии равновесия, то энтропия открытой системы может также уменьшаться.

Приведём пример. Если принять, что теплота , отдаваемая Землёй за счёт теплового излучения, равна теплоте, полученной Землёй за счёт солнечного излучения, (), температура поверхности ЗемлиT₁ = 300К, а температура поверхности Солнца T₂ = 5800К, то изменение энтропии Земли: .

Таким образом, за счёт того, что Земля получает высококачественное излучение и отдаёт более низкокачественное, приращение энтропии отрицательно. Это способствует упорядоченности системы, например: развитию эмбриона и других объектов живой природы.

Человек - также открытая система, и приращение его энтропии также отрицательно в период его роста, в период старения приращение энтропии становится положительным за счёт апоптоза – запрограммированного старения и гибели клеток. Апоптоз обусловлен наличием у клетки генетического кода. Как писал один стареющий физик: «Меня съедает энтропия и целиком, и по частям». Когда энтропия достигает максимального значения, система становится изолированной и наступает смерть.

8. Концепция корпускулярно-волнового дуализма

8.1. Природа света

Свет имеет двойственную природу – корпускулярно-волновую. С одной стороны свет – это электромагнитные волны оптического диапазона (инфракрасные лучи, видимый свет и ультрафиолетовые лучи), а с другой – поток частиц – фотонов.

Волновую природу света подтверждают явления интерференции, дифракции, поляризации, дисперсии, поглощения света и др.; корпускулярную природу: тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона.

Согласно гипотезе Планка электромагнитное излучение испускается не непрерывно, а порциями – квантами. Позже кванты электромагнитного излучения были названы фотонами.

Фотон – микрочастица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле – света), который распространяется со скоростью с. Фотон представляет собой частицу особого рода, отличную от таких микрочастиц, как электрон, протон и др., которые не могут двигаться со скоростью света в вакууме.

Энергия фотона: , гдеh - постоянная Планка; ν – частота света; - скорость света в вакууме;λ – длина волны фотона. Импульс фотона .

Эта формула показывает связь между характеристикой волны – длиной волны и характеристикой частицы – импульсом.